Tecnologie di Rete Wireless: WLAN, WPAN, Reti Ad Hoc

15.1 - Introduzione alle Reti Wireless

La scelta tra reti wireless e cablate dipende dalla situazione specifica. La differenza fondamentale non risiede solo nel mezzo trasmissivo. Le reti wireless presentano caratteristiche peculiari del mezzo (canale radio) che hanno un impatto significativo sulle prestazioni del sistema e gestiscono naturalmente la mobilità degli utenti.

Generalmente, le reti si dividono in reti di accesso e reti di backbone. Le tecnologie wireless sono impiegate principalmente come reti di accesso, mentre le reti di backbone basate su collegamenti radio punto-punto non sono solitamente considerate "reti wireless" in questo contesto. Le reti di accesso wireless sono più complesse e presentano differenze fondamentali rispetto a quelle cablate, prima fra tutte l'uso di un mezzo trasmissivo broadcast, condiviso tra più utenti.

Il canale broadcast può essere centralizzato, come nei sistemi cellulari, WLAN o WMAN, dove un punto di accesso fisso (Base Station - BS o Access Point - AP) gestisce la comunicazione con le stazioni mobili (MS) all'interno di un'area di servizio definita (cella).

Oppure può essere distribuito, tipico delle reti ad-hoc (come mesh o reti di sensori), dove le connessioni avvengono direttamente tra dispositivi mobili, potenzialmente attraverso multipli salti (multi-hop), dove le stazioni mobili agiscono anche da ripetitori (relay).

Le principali differenze tra reti cablate e wireless riguardano:

  1. Canale Radio: È intrinsecamente variabile a causa di interferenze, ostacoli e multi-percorso (multipath). Richiede tecniche avanzate di modulazione e codifica per garantire affidabilità.
  2. Mobilità Utente: Le reti wireless devono gestire la mobilità sia quando l'utente è in stand-by sia durante una sessione attiva (conversazione), garantendo continuità del servizio (handover/handoff).

15.2 - Il Canale Wireless: Caratteristiche e Modelli

Il canale wireless presenta generalmente caratteristiche "peggiori" rispetto a quello cablato, soffrendo di maggiore attenuazione, comportamento variabile nel tempo e distorsioni. I segnali sono influenzati principalmente da:

La comunicazione avviene tramite onde radio. Lo spettro radio è diviso in bande, ciascuna con proprietà e usi diversi. Ad esempio, le bande VHF/UHF (usate per reti mobili) permettono buona penetrazione degli edifici con potenze relativamente basse, mentre le bande SHF (satelliti, link punto-punto) offrono alta larghezza di banda ma sono sensibili a effetti meteorologici. Le WLAN e WPAN operano tipicamente nelle bande ISM (2.4 GHz e 5 GHz), soggette a interferenze da altri dispositivi (forni a microonde, ecc.) e, a 5 GHz, anche ad attenuazione da pioggia/nebbia. In generale, le alte frequenze offrono più banda e sono meno affollate, ma la propagazione è ostacolata dagli ostacoli; le basse frequenze penetrano meglio ma hanno meno banda, richiedono antenne più grandi e soffrono di più interferenze.

Antenne

Un'antenna isotropica ideale irradia potenza uniformemente in tutte le direzioni. La densità di potenza F(d) a distanza d da una sorgente isotropica con potenza PT e'
F(d)=PT4πd2F(d) = \frac{PT}{4\pi d^2}
Le antenne reali sono direttive, concentrando potenza in alcune direzioni, effetto modellato tramite il guadagno (gain) g(θ). La densità di potenza nella direzione di massimo guadagno (gT) diventa
F(d)=PT⋅gT4πd2F(d) = \frac{PT \cdot g_T}{4\pi d^2}
Il prodotto PTgT è detto EIRP (Effective Isotropically Radiated Power).

La potenza ricevuta (PR) dipende dalla densità di potenza e dall'area equivalente dell'antenna ricevente (Ae). Per un'antenna ricevente con guadagno gR, la potenza ricevuta è data dalla formula di Friis (modello di propagazione in spazio libero):
PR=PT⋅gT⋅gR(λ4πd)2PR = PT \cdot g_T \cdot g_R \left( \frac{\lambda}{4\pi d} \right)^2
Questa formula mostra che la potenza ricevuta decresce con il quadrato della distanza (PR µ d⁻²) ed è valida in condizioni ideali (linea di vista libera).

Nella realtà, la propagazione è influenzata da riflessioni, diffrazione (segnale che si piega attorno agli ostacoli), scattering (segnale disperso da piccoli oggetti) e shadowing (attenuazione dovuta a grandi ostacoli). Questi fenomeni causano la propagazione multi-percorso (multipath): multiple copie dello stesso segnale arrivano al ricevitore con ritardi e fasi diverse, combinandosi vettorialmente.

Un modello semplificato è il Two-ray model, che considera il percorso diretto e un percorso riflesso dal suolo. In questo caso, l'attenuazione è più severa, con Pr µ d⁻⁴. Modelli più generali usano un esponente di propagazione η (Pr µ d⁻η), con η tipicamente tra 2 (spazio libero) e 5 (ambiente urbano denso). Esistono anche modelli empirici (es. Okumura-Hata) che forniscono formule basate su misurazioni reali per stimare l'attenuazione in scenari specifici (urbano, suburbano, rurale).

Il Multi-path Fading è la rapida fluttuazione della potenza del segnale ricevuto causata dalla combinazione delle repliche multi-percorso. A seconda delle fasi relative, il segnale può essere fortemente attenuato o addirittura amplificato. Se il terminale si muove, queste condizioni cambiano rapidamente nel tempo. Sotto certe ipotesi (molti percorsi, nessuno dominante), l'ampiezza del segnale segue una distribuzione di Rayleigh, e la potenza una distribuzione esponenziale. Questo permette di calcolare la probabilità di outage, cioè la probabilità che la potenza ricevuta scenda sotto una soglia minima necessaria per la corretta decodifica.

Lo Shadowing è invece un fading più lento: nella propagazione il segnale puo essere parzialmente rilesso e rifratto dagli ostacoli, cio genera una ulteriore attenuazione. Questo effetto viene modellato spesso come una variabile casuale log-normale.

15.3 - WLAN (Wireless Local Area Network)

Le reti WLAN sono standardizzate dall'IEEE sotto il comitato 802.11. Questi standard coprono i livelli Fisico (PHY) e MAC (Medium Access Control).

L'evoluzione degli standard 802.11 include:

La Wi-Fi Alliance è un consorzio industriale che certifica l'interoperabilità dei prodotti 802.11.

L'architettura del protocollo 802.11 prevede due modalità operative principali a livello MAC:

  1. DCF (Distributed Coordination Function): Obbligatoria, basata su contesa, utilizza CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) per l'accesso al mezzo best-effort.
  2. PCF (Point Coordination Function): Opzionale, centralizzata e senza contesa, basata su polling gestito dall'Access Point. Tuttavia, a causa di problemi nello standard, non è stata implementata commercialmente.

Network architetture

I componenti di una rete WLAN sono:

Un BSS può essere di tipo Infrastructure (con AP) o Independent (IBSS) (senza AP, detta rete ad hoc).

Un ESS permette la mobilità tra AP diversi, apparendo come un'unica rete di livello 2. Gli AP agiscono come bridge, inoltrando frame tra DS e STA associate.


Medium Access Control

Il livello MAC 802.11 fornisce servizi di accesso al canale, recupero errori, frammentazione/riassemblaggio, risparmio energetico, indirizzamento e framing. L'accesso al canale nel DCF è regolato da CSMA/CA: una stazione ascolta il canale (carrier sense); se è libero per un tempo DIFS (DCF Interframe Spacing), trasmette; se è occupato, attende che si liberi e poi inizia una procedura di backoff (attesa casuale) prima di ritentare. Il backoff è un numero casuale di slot temporali estratto uniformemente da una Contention Window (CW). La CW viene raddoppiata esponenzialmente (fino a CWmax) dopo una collisione/errore e resettata a CWmin dopo una trasmissione riuscita.

Il recupero errori per trasmissioni unicast si basa su ACK (acknowledgement) positivi inviati dal ricevitore. Se l'ACK non arriva entro un timeout, il trasmettitore assume che il frame sia perso e lo ritrasmette (fino a un numero massimo di tentativi). Gli ACK hanno priorità alta perché vengono inviati dopo un intervallo SIFS (Short IFS), che è più breve del DIFS. Esistono anche PIFS (per PCF) ed EIFS (usato dopo errori di ricezione).

Per mitigare il problema del terminale nascosto (due stazioni che non si sentono tra loro ma collidono presso un ricevitore comune), 802.11 introduce il Virtual Carrier Sense tramite lo scambio di frame di controllo RTS (Request To Send) e CTS (Clear To Send). Le stazioni che sentono RTS o CTS impostano il loro NAV (Network Allocation Vector) e si astengono dal trasmettere per la durata indicata, prevenendo collisioni. Questo meccanismo introduce però overhead e può causare il problema del terminale esposto (una stazione che si astiene inutilmente dal trasmettere). L'uso di RTS/CTS è solitamente opzionale e attivato solo per frame di dati di dimensioni superiori a una soglia (RTSThreshold).

Lo standard 802.11e introduce il supporto per la Quality of Service (QoS) definendo la Hybrid Coordination Function (HCF), che include due meccanismi: EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) e HCCA (HCF Controlled Channel Access). EDCA è un'estensione del DCF che differenzia il traffico in 4 Access Categories (AC) (Voce, Video, Best Effort, Background). Ad ogni AC sono associati parametri di backoff diversi (AIFS, CWMin, CWMax, TXOPlimit), permettendo di assegnare priorità diverse. Stazioni con traffico a priorità più alta usano valori AIFS/CWMin più bassi, accedendo al canale più velocemente.

15.4 - Bluetooth

Bluetooth è nato come standard industriale (promosso dal Bluetooth SIG - Special Interest Group) ed è stato poi adottato come base per lo standard IEEE 802.15.1 (livelli PHY e MAC). Prende il nome dal re danese Harald Blåtand (Bluetooth).

Le sue caratteristiche principali sono:

Il livello fisico (PHY) utilizza la banda ISM a 2.4 GHz con 79 canali da 1 MHz. La modulazione è GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) con un data rate di 1 Mb/s. Per la multiplazione e la resistenza alle interferenze, impiega la tecnica Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), saltando tra i 79 canali 1600 volte al secondo (ogni hop dura 625 µs). La sequenza di hopping è pseudo-casuale ed è determinata dall'indirizzo e dal clock del dispositivo Master della rete; i dispositivi Slave seguono la sequenza del Master. I pacchetti possono occupare 1, 3 o 5 slot temporali consecutivi.

L'architettura di rete base di Bluetooth è la Piconet: una rete ad hoc composta da un Master e fino a 7 Slave attivi. La comunicazione avviene esclusivamente tra il Master e gli Slave; gli Slave non possono comunicare direttamente tra loro. Ogni dispositivo ha un indirizzo MAC a 48 bit. All'interno di una piconet, agli slave attivi viene assegnato un indirizzo più breve (AMA, 3 bit). Possono esserci fino a 256 dispositivi "parcheggiati" (Parked), membri della piconet ma inattivi, identificati da un PMA (8 bit).


Bluetooth supporta due tipi di connessioni logiche:

  1. SCO (Synchronous Connection Oriented): Connessione simmetrica, bidirezionale, a capacità fissa (64 kbit/s), simile a un circuito, usata principalmente per l'audio (voce).
  2. ACL (Asynchronous ConnectionLess): Connessione a pacchetto, asimmetrica o simmetrica, basata su polling da parte del Master, usata per i dati. Raggiunge velocità fino a circa 723 kbps in modo asimmetrico.

L'accesso multiplo si basa su Time Division Duplex (TDD): il Master trasmette negli slot pari, gli Slave rispondono (se interrogati) negli slot dispari.


Il Link Controller gestisce diversi stati del dispositivo:

  1. Stand-by (radio spento)
  2. Inquiry/Inquiry Scan (scoperta di altri dispositivi)
  3. Page/Page Scan (creazione di una connessione)

La procedura di Page permette a un dispositivo (futuro Master) di connettersi a uno specifico dispositivo (futuro Slave) conoscendone l'indirizzo. Se un device vuole connettersi ad un altro dispositivo deve conoscere il suo indirizzo e iniziare la procedura di Page; dall'indirizzo si puo derivare il Device Access Code, codice che verra' scambiato con il dispositivi al quale ci si vuole connettere quando questo uscira' dallo stato di sleep avviando la procedura di Page scan. Per limitare il consumo energetico, la procedura di page scan dura al massimo 10ms, a fronte di alcuni secondi di sleep (1.28s - 3.85s).
Inizialmente la procedura di Page start viene eseguita su 16 dei 32 canali, ma se alla prima botta non si ha risposta, al secondo tentativo la richiesta viene estesa anche agli altri 16; una volta che arriva il DAC da dispositivo al quale ci si vuole connettere, allora si inviano ad esso alcune info e la connessione puo definirsi terminata.


procedura di Inquiry permette di scoprire i dispositivi presenti nel raggio d'azione. Entrambe usano sequenze di hopping specifiche e meccanismi per ridurre il consumo energetico (scan periodici brevi seguiti da periodi di sleep).

Sono previste anche modalità a basso consumo durante la connessione (Hold, Sniff, Park) per permettere agli slave di "dormire" pur mantenendo la connessione.


Infine, più piconet possono essere interconnesse formando una Scatternet. Un dispositivo può partecipare a più piconet (come slave) o essere Master in una e Slave in altre. Questo permette topologie più complesse, ma la formazione e il routing nelle scatternet non sono standardizzati da Bluetooth.

15.5 - Zigbee (IEEE 802.15.4)

Mentre molte applicazioni wireless richiedono alte velocità di trasmissione (come WLAN e Bluetooth), esiste un segmento significativo di applicazioni che necessitano invece di corto raggio, basso consumo energetico, basso costo e basse velocità di trasmissione. Questo ha portato allo sviluppo delle tecnologie LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network), tra cui spicca Zigbee.

Nato da soluzioni proprietarie per reti di sensori negli anni '90, lo sforzo di standardizzazione ha portato alla creazione del gruppo di lavoro IEEE 802.15 Task Group 4 nel 2001. Questo ha prodotto lo standard IEEE 802.15.4 nel 2003, che definisce i livelli fisico (PHY) e MAC. La Zigbee Alliance, un consorzio industriale, ha poi costruito su questo standard definendo i livelli superiori (Network, Security, Application Interface) e profili applicativi specifici, dando vita alla tecnologia commercialmente nota come Zigbee.

Lo stack protocollare Zigbee è quindi composto dai livelli 802.15.4 (PHY/MAC) e dai livelli definiti dalla Zigbee Alliance. Il livello PHY si occupa della trasmissione/ricezione sul canale radio, usando la modulazione DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) su diverse bande di frequenza: 2.4 GHz (ISM, globale, 250 kbps, 16 canali), 915 MHz (ISM, Americhe, 40 kbps, 10 canali) e 868 MHz (Europa, 20 kbps, 1 canale).

Zigbee definisce due tipi di dispositivi: FFD (Full Function Device), capace di agire come coordinatore di rete, router o semplice dispositivo finale, e RFD (Reduced Function Device), un dispositivo a funzionalità e consumo ridotti, tipicamente alimentato a batteria, che non può instradare traffico e comunica solo con un FFD (il suo parent).

Sono supportate tre topologie di rete: Stella (tutti i dispositivi comunicano solo con il PAN Coordinator centrale), Mesh (gli FFD possono instradare pacchetti peer-to-peer, offrendo maggiore robustezza) e Cluster Tree (una struttura gerarchica formata da cluster interconnessi, che permette un indirizzamento distribuito e scalabile).

Il livello MAC 802.15.4 gestisce l'accesso al canale. Definisce due modalità operative:

Il livello di Rete definito dalla Zigbee Alliance si occupa della configurazione della rete, dell'indirizzamento, della scoperta e gestione delle rotte, e della sicurezza. La formazione della rete inizia con un FFD (Full Function Device) che diventa PAN Coordinator, sceglie un canale e un PAN ID, e inizia a trasmettere beacon. Altri dispositivi possono unirsi scansionando i canali, ascoltando i beacon e associandosi al coordinatore o a un router FFD già presente. Il routing in Zigbee utilizza principalmente due algoritmi: AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector), un protocollo reattivo semplice (descritto più avanti), e l'algoritmo Cluster Tree, che sfrutta l'indirizzamento gerarchico della topologia ad albero per un routing efficiente all'interno dell'albero stesso.

Confrontando Zigbee e Bluetooth (802.15.1), emergono differenze chiave: Zigbee usa DSSS mentre Bluetooth usa FHSS; Zigbee ha data rate significativamente inferiori ma permette un numero molto maggiore di dispositivi per rete (255 vs 8 attivi); i tempi di associazione alla rete e di risveglio da modalità sleep sono drasticamente più rapidi in Zigbee; Zigbee è ottimizzato per bassissimo consumo, spesso con batterie non ricaricabili con anni di durata, mentre Bluetooth è tipicamente ricaricabile.

15.6 - Reti Ad Hoc

Le Mobile Ad Hoc Networks (MANET) sono reti composte da nodi potenzialmente mobili, dotati di interfacce di comunicazione wireless, che operano senza alcuna infrastruttura preesistente. La comunicazione tra peer avviene spesso attraverso salti multipli (multi-hop). L'implicazione principale è che ogni nodo deve agire sia come host (sorgente/destinazione di dati) sia come router, inoltrando traffico per conto di altri nodi. La topologia della rete è dinamica, cambiando a causa della mobilità dei nodi, dell'accensione/spegnimento o delle condizioni del canale.

Le applicazioni delle MANET sono varie, spaziando da scenari di emergenza e recupero da disastri (forze dell'ordine, protezione civile) ad applicazioni civili (reti temporanee in conferenze, reti veicolari) e militari.

Le sfide principali nelle MANET riguardano tutti i livelli dello stack protocollare. A livello fisico, la gestione della portata e della potenza; a livello MAC, i problemi classici del wireless come terminale nascosto/esposto, l'efficienza energetica e la fairness; a livello di rete, la sfida cruciale del routing in un ambiente dinamico e senza infrastruttura; a livello di trasporto, la difficoltà nel distinguere perdite dovute a congestione da quelle dovute a errori sul canale o mobilità.

Il routing nelle reti ad hoc deve quindi adattarsi a topologie dinamiche, tenere conto delle risorse limitate (banda, energia, capacità di calcolo) e potenzialmente soddisfare criteri di performance specifici. Non esiste un unico protocollo ottimale per tutte le condizioni. I protocolli di routing per MANET si classificano principalmente in:

  1. Reattivi (On-Demand): Trovano e mantengono rotte solo quando c'è effettivamente bisogno di inviare dati verso una destinazione. Comportano una latenza iniziale per la scoperta della rotta, ma hanno basso overhead in scenari di traffico scarso o bassa mobilità.
  2. Proattivi (Table-Driven): Mantengono costantemente aggiornate le informazioni di routing verso tutte (o una parte) delle destinazioni possibili, indipendentemente dal traffico. Offrono bassa latenza per l'invio del primo pacchetto, ma generano un overhead di controllo continuo, che può essere elevato in reti molto dinamiche o grandi.
  3. Ibridi: Combinano approcci proattivi (es. per nodi vicini) e reattivi (es. per nodi lontani) per bilanciare latenza e overhead.
  4. Geografici: Utilizzano informazioni sulla posizione fisica dei nodi (ottenuta ad es. via GPS) per prendere decisioni di routing, spesso inoltrando i pacchetti al vicino geograficamente più prossimo alla destinazione.

Una tecnica base per la consegna dei dati (o per la diffusione di informazioni di controllo) è il Flooding. Il nodo sorgente invia il pacchetto in broadcast ai suoi vicini; ogni nodo che riceve il pacchetto per la prima volta (identificato tramite numero di sequenza) lo inoltra a sua volta ai propri vicini. Il processo termina quando il pacchetto raggiunge la destinazione o tutti i nodi raggiungibili lo hanno ricevuto. Il flooding è semplice e potenzialmente robusto (può usare percorsi multipli), ma soffre di alto overhead (il "broadcast storm", dove molti nodi ritrasmettono inutilmente), possibili collisioni (specialmente tra nodi nascosti) e inaffidabilità intrinseca del broadcast a livello MAC. Per queste ragioni, il flooding puro è raramente usato per i dati, ma è spesso impiegato (in forme potenzialmente limitate) per la diffusione di pacchetti di controllo, come le richieste di scoperta di rotta nei protocolli reattivi.


Dynamic Source Routing (DSR) è un esempio di protocollo reattivo. Quando un nodo S deve inviare a D e non conosce una rotta, inizia una Route Discovery inondando la rete con un pacchetto Route Request (RREQ). Ogni nodo intermedio che inoltra l'RREQ aggiunge il proprio identificatore alla lista contenuta nel pacchetto. Quando l'RREQ raggiunge la destinazione D, questa risponde con un Route Reply (RREP) inviato lungo il percorso inverso (ottenuto invertendo la lista nell'RREQ), contenente la rotta completa da S a D. Il nodo S, ricevuto l'RREP, memorizza la rotta e la inserisce nell'header di ogni pacchetto dati inviato a D (source routing). I nodi intermedi usano semplicemente l'header del pacchetto per sapere a chi inoltrarlo.


DSR utilizza estensivamente il Route Caching: ogni nodo memorizza le rotte che apprende (anche osservando pacchetti di dati o RREP destinati ad altri) e può usare queste rotte per rispondere a RREQ da cache, velocizzando la scoperta e riducendo il flooding. Tuttavia, DSR soffre di header di dimensione variabile (che cresce con la lunghezza della rotta), potenziale "reply storm" se molti nodi rispondono da cache, e problemi dovuti a cache "stantie" (rotte non più valide a causa della mobilità). La rottura di un link viene segnalata tramite pacchetti Route Error (RERR).


Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) è un altro protocollo reattivo che cerca di migliorare DSR eliminando la necessità di inserire l'intera rotta negli header dei pacchetti dati. Mantiene invece tabelle di routing (next-hop) presso i nodi, ma solo per le destinazioni attive (per cui è stata scoperta una rotta), conservando così la natura on-demand.

Optimized Link State Routing (OLSR) è un esempio di protocollo proattivo basato su Link State. Per ridurre l'overhead del flooding tipico dei protocolli link-state puri, OLSR introduce il concetto di Multipoint Relays (MPRs), ovvero nodi selezionati da ciascun nodo come un sottoinsieme dei suoi vicini diretti. Ogni nodo sceglie un sottoinsieme dei propri vicini come MPRs, in modo tale che questi MPRs coprano tutti i nodi a due hop di distanza. Solo gli MPRs sono responsabili di inoltrare le informazioni sullo stato dei link (flooding ottimizzato). Le rotte calcolate da OLSR utilizzano quindi preferenzialmente gli MPRs come nodi intermedi.


Infine, il Geographic Routing non si basa sulla topologia ma sulla posizione fisica. Algoritmi come GEDIR (Geographic Distance Routing) tentano di inoltrare il pacchetto al vicino che minimizza la distanza geografica dalla destinazione finale. Questo approccio "greedy" può fallire in presenza di "vuoti" (regioni senza nodi più vicini alla destinazione). GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) migliora GEDIR introducendo una modalità "perimeter" (o recovery): quando l'approccio greedy fallisce, il pacchetto viene instradato lungo il perimetro del "vuoto" (usando la regola della mano destra su un grafo reso planare) fino a quando non è possibile riprendere l'inoltro greedy. Questo richiede che i nodi costruiscano un grafo planare della loro vicinanza (es. Relative Neighbor Graph o Gabriel Graph).